Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về chitosan 1. Giới thiệu sơ lược về chitosan Chitosan (CS) là sản phẩm deacetyl hóa chitin, một polymer có nhiều trong vỏ các loài giáp xác như: tôm, cua, ghẹ, mực, … Hàng năm, động vật thân mềm, động vật giáp xác, côn trùng, nấm, tảo và các sinh vật có liên quan sản xuất được xấp xỉ 10 tỷ tấn chitin. Ngày nay, chitin và CS được sản xuất thương mại ở Na Uy, Ấn Độ, Nhật Bản, Ba Lan, Mỹ và Úc… Chitin, CS và các dẫn xuất carboxymethyl của chúng đã và đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trong nhiều thập kỉ qua vì những tính chất đặc biệt của chúng.
Các thông số như độ acetyl hóa (DA), mức độ thay thế (DS) và khối lượng phân tử trung bình (MW) của chitin, CS và dẫn xuất carboxymethyl quyết định đến các tính chất đặc trưng của chúng như tính tan, khả năng phản ứng cũng như khả năng phân hủy sinh học [61]. Điều chế chitosan từ chitin Nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin và CS là lớp biểu bì của các loài giáp xác khác nhau, chủ yếu là cua và tôm. Trong động vật giáp xác, cụ thể hơn là động vật có vỏ, chitin được tìm thấy như một thành phần của một mạng lưới phức tạp với các protein mà trên đó calci carbonat tạo thành lớp vỏ cứng. Do đó, quá trình phân lập chitin từ động vật có vỏ đòi hỏi phải loại bỏ 2 thành phần chính của vỏ là protein và calci carbonat bằng cách khử protein và khử khoáng, cùng với một lượng nhỏ sắc tố và lipide đã được loại bỏ trong 2 bước trước đó.
Trong một số trường hợp, phải bổ sung thêm bước khử màu để loại bỏ các sắc tố còn sót lại. Nhiều phương pháp đã được đề xuất và sử dụng trong nhiều năm để điều chế chitin nguyên chất; tuy nhiên, không có phương pháp tiêu chuẩn nào được áp dụng. Cả deprotein hóa và khử khoáng đều có thể được thực hiện bằng phương pháp xử lý hóa học hoặc enzyme. Thứ tự của 2 bước có thể được đảo ngược, đặc biệt là khi xử lý bằng enzyme.
Lên men vi sinh vật cũng được sử dụng; trong trường hợp đó, các bước deprotein hóa và khử khoáng được xử lý đồng thời [46]. luan an 5 Chitin có thể được chuyển đổi thành CS bằng các chế phẩm enzyme [51] hoặc phản ứng hóa học [61]. Phương pháp hóa học được sử dụng rộng rãi cho mục đích thương mại để điều chế CS vì chi phí thấp và phù hợp với sản xuất hàng loạt. Acid hoặc kiềm đều có thể sử dụng để deacetyl hóa chitin.
Tuy nhiên, liên kết glycoside rất dễ bị acid hóa nên deacetyl hóa bằng kiềm được sử dụng rộng rãi hơn. Deacetyl hóa chitin có thể thực hiện theo hai phương pháp. Thông thường, chitin được xử lý bằng dung dịch NaOH đậm đặc trong vài giờ và CS được sản xuất với độ deacetyl hóa lên đến 85%. Theo phương pháp khác ít phổ biến hơn, phân tán chitin trong dung dịch NaOH đậm đặc (30 g NaOH/45g H2O/3g chitin) ở 25°C trong 3 giờ trở lên, sau đó hòa tan trong nước đá.
Phương pháp này cho kết quả là CS với mức độ deacetyl hóa trung bình là 48% - 55% [122]. Khối lượng phân tử và độ acetyl hóa của CS bị ảnh hưởng chủ yếu bởi nồng độ dung dịch NaOH, thời gian phản ứng và nhiệt độ. Các yếu tố khác như tác nhân phản ứng, áp suất, kích thước hạt, tỷ lệ chitin và dung môi, nguồn nguyên liệu thô ít ảnh hưởng hơn nhưng cũng được thử nghiệm trong các nghiên cứu khác [43]. Cấu tạo, cấu trúc của chitosan Chitin là một polysaccharide mạch thẳng gồm các đơn vị N-acetyl-D- glucosamine liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glucoside.
Nó được phân loại như một dẫn xuất cellulose, mặc dù thực tế không xuất hiện trong các sinh vật sản xuất cellulose. Cấu trúc của nó tương tự như cellulose, nhưng ở vị trí C2 có một nhóm acetamide (-NHCOCH3). Chitosan là dẫn xuất N-deacetylated của chitin, với tên gọi khoa học là Poly- (1,4)-2-amino-2-deoxy-β-D-glucose hoặc Poly-(1,4)-2- amino-2-deoxy-β-D- glucopyranose. Công thức phân tử của chitosan là [C6H11O4N]n Hình 1.
Cấu trúc của chitin và chitosan. Các tính chất vật lý và hóa học của chitosan CS là amino polysaccharide với hàm lượng nitrogen cao, cấu trúc D-glucosamine cứng nhắc; tính thấm nước cao, có nhóm amine là một tác nhân nucleophile (pKa = 6. CS không hòa tan trong nước và dung môi hữu cơ; chỉ tan trong một số dung dịch acid loãng như acid acetic 0,5-1% tạo dung dịch có độ nhớt cao. Ngoài ra, CS tan trong acid clohydric 1% và acid nitric loãng, nhưng không hòa tan trong acid sulfuric và acid photphoric; dung dịch acid acetic có nồng độ cao ở nhiệt độ cao có thể đề polymer hóa CS.
Có nhiều yếu tố quan trọng có ảnh hưởng quan trọng đến độ hòa tan như nhiệt độ, nồng độ kiềm, độ deacetyl hóa, các phương pháp xử lý trước áp dụng cho phân lập chitin, tỷ lệ chitin với dung dịch kiềm, kích thước hạt, … [114]. CS có đặc tính ngậm và hấp phụ các chất; lọc và tách, khả năng tạo màng; vật liệu kết dính để phân lập các phân tử sinh học. CS không độc, có khả năng phân hủy sinh học, có nhiều tác dụng sinh học như có hoạt tính kháng nấm, khấng khuẩn và kháng virus, có đặc tính chống ung thư, chống đông máu. Do có tương tác mạnh giữa các liên kết hydro, việc thủy phân CS như cellulose là tương đối khó.
Do đó, các tính chất của dung dịch CS không chỉ phụ thuộc vào khối lượng phân tử trung bình, độ deacetyl hóa, mà còn phụ thuộc vào sự phân bố của các nhóm acetyl dọc theo mạch phân tử CS [109]. Các ứng dụng chủ yếu của chitosan Ứng dụng của CS trong các lĩnh vực khác nhau được tóm tắt ở bảng 1. Ứng dụng của CS trong các lĩnh vực [112, 125] Lĩnh vực Ứng dụng của CS Điều trị vết thương, vết loét, vết bỏng nặng. Chế tạo da nhân tạo, chỉ khâu phẫu thuật, kính áp tròng, màng Vật liệu y sinh và lọc máu và mạch máu nhân tạo.
dược phẩm Thuốc chống khối u, chống đông máu, chống viêm, đại tràng, trong các hệ thống phân phối thuốc và gen, trong trị liệu nha khoa. Mỹ phẩm Các sản phẩm chăm sóc tóc và da. Tăng trưởng tế bào và tăng sụn khí quản, dây thần kinh. Kỹ thuật mô Sửa chữa mô xương và tái sinh vật liệu để sửa chữa sụn.
luan an 7 Lĩnh vực Ứng dụng của CS Lồng ghép bằng nhựa xốp của vật liệu tổng hợp chitosan- calcium phosphate để tái sinh xương. CS-chondroitin sulfate bọt biển trong tái tạo xương. Viên nang CS-calcium alginate với mục đích phát triển tuyến tụy nhân tạo cho điều trị đái tháo đường. Kiểm soát tuyến trùng ký sinh trong đất.
Các đặc tính kháng khuẩn của CS và khả năng tạo màng tuyệt vời của nó đã được khai thác trong việc bảo quản trái cây và rau quả sau thu hoạch, tăng cường vi sinh vật có lợi tương tác Nông nghiệp cộng sinh thực vật. Tạo ra những thay đổi thuận lợi trong sự trao đổi chất của thực vật và hoa quả. Phân bón và thuốc diệt nấm cho hạt giống và trái cây. Phương tiện sắc ký Cố định enzyme trong sắc ký ái lực và thẩm thấu gel và là chất và phân tích nền enzyme.
Khử acid của các loại trái cây và đồ uống, ổn định màu, giảm hấp phụ lipid, tạo hương vị tự nhiên. Thức ăn và phụ gia Kiểm soát các tác nhân, chất bảo quản thực phẩm và chất thực phẩm chống oxy hóa, nhũ hóa, làm dày và chất ổn định, phụ gia chăn nuôi và thức ăn cho cá, và chế tạo các loại sợi dinh dưỡng. Xử lý nước thải, thu hồi các ion kim loại và thuốc trừ sâu, loại bỏ phenol, protein, chất phóng xạ và thuốc nhuộm, thu hồi vật Kỹ thuật xử lý liệu rắn trong chế biến thực phẩm, chất thải. nước Loại bỏ dầu mỏ và các sản phẩm dầu mỏ từ nước thải như chất hấp phụ để loại bỏ kim loại nặng và chất màutừ nước thải của các nhà máy nhuộm, dệt.
Tổng quan về alginate 1. Giới thiệu sơ lược về alginate Alginate (AG) là một loại polysaccharide có nhiều trong thành tế bào của các loại tảo nâu (hình 1. Lần đầu tiên alginate được nghiên cứu bởi nhà hóa học người luan an 8 Anh E. Stanford vào cuối thế kỷ XIX.
AG tồn tại ở 2 dạng là acid alginic và muối của nó với Na+, Ca2+… Hình 1. Cấu tạo của alginate. a, 2 monome của AG b, Liên kết trong AG c, Sự phân bố của các block 1. Phân loại, cấu trúc alginate Cấu tạo của AG là các chuỗi phân tử acid β-D-mannuronic (M) và acid α-L- guluronic (G) liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucoside.
Có 3 loại liên kết có thể gặp trong 1 phân tử AG: (M-M-M), (G-G-G), (M-M-G) tạo thành các khối (block) liên kết ngẫu nhiên trong mạch (hình 1. AG chiết xuất từ các nguồn khác nhau thì khác nhau về hàm lượng M và G cũng như độ dài của mỗi khối [123]. Hàm lượng G-block của thành tế bào L. hyperborean là 60%, và đối với các AG thương mại có sẵn khác nằm trong khoảng 14,0-31,0% [99].
Khi acid alginic tạo muối với các ion kim loại khác nhau sẽ tạo nên các muối AG khác nhau. Một số dạng muối alginate hay gặp như: sodium alginate ((C5H7O4COONa)n), potassium alginate ((C5H7O4COOK)n), calcium alginate (((C5H7O4COO)2Ca)n), ammonium alginate ((C5H7O4COONH4)n). Tính chất vật lý và hóa học của alginate Thành phần (tỉ lệ M/G), trình tự, chiều dài khối G và trọng lượng phân tử là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến các đặc tính vật lý của AG và dung dịch hydrogel của nó [31]; Các tính chất cơ học của gel AG thường được tăng cường bằng cách tăng chiều dài của khối G và khối lượng phân tử. Các nguồn AG khác nhau sẽ luan an 9 cho cấu trúc hóa học khác nhau của AG.
Ví dụ, AG được sản xuất từ vi khuẩn Azotobater dưới dạng exopolysaccharide có hàm lượng G cao và gel của nó có độ cứng tương đối cao [52]. Các đặc tính vật lý của mỗi loại AG kiểm soát sự ổn định của gel, tỷ lệ giải phóng thuốc từ gel, hình thái và tương tác của các chất được mang bởi gel AG [31]. Mặc dù khả năng tương thích sinh học của AG đã được đánh giá bằng các thử nghiệm in vitro cũng như in vivo, tuy nhiên vẫn còn nhiều tranh luận về tác động của các hợp chất AG. Điều này có thể liên quan đến độ tinh khiết của AG.